铸造镁锂稀土合金中第二相析出热力学计算与组织研究
发布时间：2021-07-26 10:07
随着航空航天、汽车工业、电子科技等领域对于高性能轻质材料日益增长的需求,人们开始将目光聚集到镁锂合金的研究与应用开发上。但镁锂合金也因为其强度及工艺性能相对较低,不能满足应用要求等问题而限制了更为广泛的应用。本文以铸造Mg-Li-（Zn）-Re合金为研究对象,进行第二相析出相关热力学计算并结合实验结果对合金组织进行分析,研究合金成分、冷却速度对组织的影响,研究不同合金元素组成和不同铸造工艺参数对镁锂合金流动性与充型能力的影响规律,得出以下结论:通过使用Miedema生成焓模型结合TOOP几何模型应用在三组元成分的热力学计算,对合金中各组元的活度、部分析出相的吉布斯自由能随温度变化情况进行研究。结果显示在Mg-Li-Zn三元合金中,二元Mg Zn相的析出温度随三元合金中的Li组元含量的提高而降低,在保持Zn组元成分不变的情况下,将三元合金中的Li含量（wt.%）由2%提高至7%的过程中,Mg Zn相的析出温度由520K降至454K,降低了12.69%。在Mg-Li-Y三元合金中,对Mg2Y、Mg24Y5两种二元相进行了热力...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mg-Li二元合金相图[18]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-金进行相平衡体系讨论和研究的，并经过不懈努力成功的绘制出在部分温度下三元相图的等温截面。并后续通过实验验证和检测分析发现了存在于基体中的三元相(MgLiZn)，通过研究合金基体中α相和β相固溶体在界面处的组成和相关系，经研究猜测在(MgLiZn)相中还存在有另一状态的三元MgLi2Zn化合物(’P相)。’相在合金中不稳定存在，处于非平衡状态，并用其晶胞参数发生的变化对这一想法进行证实。为了从相关系变化上更加清楚三元系合金凝固过程中时效和稳定性等问题，weinberg[32]测试了100~400℃下四个等温截面图（见图1-2），并指出两种不同的相转换路径：→+’（2）（1-1）→-Mg++’（1-2）Clark[33]等用Debye-Scherrer法研究了Mg-19.5Li-18.72Zn（wt.%）合金中的相关系，认为’相最终会分解产生LiZn相。之后，日本学者山本后之[34]对Mg-11Li-10Zn（wt.%）在通过使用透射电子显微镜（TEM）对完成淬火后的合金的时效析出相的生成顺序的改变进行了研究，并最终总结出了与Clark不一样的结论，他认为正确的转换应该为→’（2）→→+（），时效强化相’是不能稳定存在的，会随着时效时间而发生结构改变’相会发生粗化过程并最终转变成为稳定性更高的相，产生了时效软化作用。图1-2Mg-Li-Zn三元合金相图[32]a)373K时等温截面b)673K时等温截面a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-（2）Zr锆元素的影响元素Zr最显著的特点是它可以对镁锂合金的晶粒组织起到强有效的细化效果，这与-Zr的晶体结构有关，-Zr与镁同为密排六方结构晶型，并且晶格常数也非常接近，这样相近的结构决定了在合金凝固的过程中-Zr能够优先析出并作为-Mg异质形核核心来提高形核率，起到对晶粒生长过程的抑制作用，从而实现晶粒变细小的效果[35]。晶粒在被细化后，相同体积内存在的晶粒数量就会增多，合金在变形过程中变形可以作用到更多的晶粒上，减少变形引起的应力集中和裂纹传播，使合金的强度和性能得到改善。1.4.2稀土元素对镁锂合金的作用稀土元素无论在黑色金属还是有色金属的熔炼中都起到不可或缺的强化及其他作用，在Mg-Li合金中添加各类稀土元素可以起到以下效果：（1）细化晶粒作用稀土元素通常在镁锂合金中的溶解度要大于一般的金属元素（见图1-3），且原子序数越大的Re元素对Mg-Li合金可以起到更加明显的固溶强化作用和时效效果[36]。合金中加入少量的Re元素就可以使合金界面前沿的过冷度显著增大。稀土元素一般可以通过在基体中成为异质形核的核心质点，有益于形核继而得到细小的晶粒组织。还可以通过不同元素间发生反应生成各类金属间化合物来对合金基体起到第二相强化效果来提高合金的强度。稀土元素不仅可以细化合金组织的晶粒大小，在后续合金的热处理过程中也能够起到作用。也有学者认为，生成的稀土化合物对合金组织中晶粒的长大的抑制作用是晶粒细化的主要原因[37]。图1-3稀土元素与镁元素间的关系[36]a)稀土元素在镁中的固溶度b)稀土元素与镁原子的原子半径差a)b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]镁锂合金强化行为研究进展[J]. 蔡祥,乔岩欣,许道奎,李传强,杨兰兰,周慧玲. 材料导报. 2019(S2)
[2]镁合金的流动性及充型能力研究综述[J]. 孙健,蒙毅,杨钱峰,杨越,曹雷刚. 热加工工艺. 2019(11)
[3]最轻的实用结构镁-锂合金[J]. 林奔,宋凌峰,王祝堂. 轻合金加工技术. 2018(05)
[4]镁锂合金在机载电子设备轻量化结构设计中的应用[J]. 韩钟剑,叶林梅,李兵强,刘文超. 舰船电子对抗. 2017(03)
[5]Mg-Li合金研究现状及其发展趋势[J]. 郑晓东,董天顺,王拓,李小兵,刘金海,李国禄. 轻合金加工技术. 2017(02)
[6]航天用超轻镁锂合金研究进展[J]. 冯凯,李丹明,何成旦,陈学康. 特种铸造及有色合金. 2017(02)
[7]稀土镁合金强韧性设计与开发[J]. 曾小勤,史枭颖. 航空材料学报. 2017(01)
[8]高强镁合金组织细化方法研究现状[J]. 万迪庆,袁艳平,周新建. 材料导报. 2015(09)
[9]固溶时效处理对轧制态Mg-12Li-2Al-1Zn合金组织与性能的影响[J]. 贾玉鑫,黄金亮,冯剑. 金属热处理. 2014(01)
[10]合金元素对镁合金性能影响[J]. 危少景,魏亮新. 科技视界. 2013(26)
博士论文
[1]镁锂稀土合金的制备及性能研究[D]. 王涛.哈尔滨工程大学 2008
[2]自生准晶增强Mg-Zn-Gd基合金组织和力学行为的研究[D]. 刘勇.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]准晶增强Mg-Zn-Y-Zr合金组织与力学性能的研究[D]. 卜志强.中北大学 2018
[2]稀土Y、Gd对镁锂合金组织及性能的影响[D]. 杜鹏.东北大学 2014
[3]Mg-9.3Li-1.79Al-1.61Zn合金超塑性研究[D]. 夏飞.东北大学 2014
[4]Mg-Y-Nd-xGd稀土镁合金的组织与性能[D]. 兴成尧.哈尔滨工业大学 2007
[5]镁合金的热力学性质计算研究[D]. 周鸿翼.重庆大学 2006
[6]Mg-Zn-Y合金中的准晶相及准晶增强镁合金[D]. 万迪庆.西北工业大学 2006
本文编号：3303358
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mg-Li二元合金相图[18]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-金进行相平衡体系讨论和研究的，并经过不懈努力成功的绘制出在部分温度下三元相图的等温截面。并后续通过实验验证和检测分析发现了存在于基体中的三元相(MgLiZn)，通过研究合金基体中α相和β相固溶体在界面处的组成和相关系，经研究猜测在(MgLiZn)相中还存在有另一状态的三元MgLi2Zn化合物(’P相)。’相在合金中不稳定存在，处于非平衡状态，并用其晶胞参数发生的变化对这一想法进行证实。为了从相关系变化上更加清楚三元系合金凝固过程中时效和稳定性等问题，weinberg[32]测试了100~400℃下四个等温截面图（见图1-2），并指出两种不同的相转换路径：→+’（2）（1-1）→-Mg++’（1-2）Clark[33]等用Debye-Scherrer法研究了Mg-19.5Li-18.72Zn（wt.%）合金中的相关系，认为’相最终会分解产生LiZn相。之后，日本学者山本后之[34]对Mg-11Li-10Zn（wt.%）在通过使用透射电子显微镜（TEM）对完成淬火后的合金的时效析出相的生成顺序的改变进行了研究，并最终总结出了与Clark不一样的结论，他认为正确的转换应该为→’（2）→→+（），时效强化相’是不能稳定存在的，会随着时效时间而发生结构改变’相会发生粗化过程并最终转变成为稳定性更高的相，产生了时效软化作用。图1-2Mg-Li-Zn三元合金相图[32]a)373K时等温截面b)673K时等温截面a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-（2）Zr锆元素的影响元素Zr最显著的特点是它可以对镁锂合金的晶粒组织起到强有效的细化效果，这与-Zr的晶体结构有关，-Zr与镁同为密排六方结构晶型，并且晶格常数也非常接近，这样相近的结构决定了在合金凝固的过程中-Zr能够优先析出并作为-Mg异质形核核心来提高形核率，起到对晶粒生长过程的抑制作用，从而实现晶粒变细小的效果[35]。晶粒在被细化后，相同体积内存在的晶粒数量就会增多，合金在变形过程中变形可以作用到更多的晶粒上，减少变形引起的应力集中和裂纹传播，使合金的强度和性能得到改善。1.4.2稀土元素对镁锂合金的作用稀土元素无论在黑色金属还是有色金属的熔炼中都起到不可或缺的强化及其他作用，在Mg-Li合金中添加各类稀土元素可以起到以下效果：（1）细化晶粒作用稀土元素通常在镁锂合金中的溶解度要大于一般的金属元素（见图1-3），且原子序数越大的Re元素对Mg-Li合金可以起到更加明显的固溶强化作用和时效效果[36]。合金中加入少量的Re元素就可以使合金界面前沿的过冷度显著增大。稀土元素一般可以通过在基体中成为异质形核的核心质点，有益于形核继而得到细小的晶粒组织。还可以通过不同元素间发生反应生成各类金属间化合物来对合金基体起到第二相强化效果来提高合金的强度。稀土元素不仅可以细化合金组织的晶粒大小，在后续合金的热处理过程中也能够起到作用。也有学者认为，生成的稀土化合物对合金组织中晶粒的长大的抑制作用是晶粒细化的主要原因[37]。图1-3稀土元素与镁元素间的关系[36]a)稀土元素在镁中的固溶度b)稀土元素与镁原子的原子半径差a)b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]镁锂合金强化行为研究进展[J]. 蔡祥,乔岩欣,许道奎,李传强,杨兰兰,周慧玲. 材料导报. 2019(S2)
[2]镁合金的流动性及充型能力研究综述[J]. 孙健,蒙毅,杨钱峰,杨越,曹雷刚. 热加工工艺. 2019(11)
[3]最轻的实用结构镁-锂合金[J]. 林奔,宋凌峰,王祝堂. 轻合金加工技术. 2018(05)
[4]镁锂合金在机载电子设备轻量化结构设计中的应用[J]. 韩钟剑,叶林梅,李兵强,刘文超. 舰船电子对抗. 2017(03)
[5]Mg-Li合金研究现状及其发展趋势[J]. 郑晓东,董天顺,王拓,李小兵,刘金海,李国禄. 轻合金加工技术. 2017(02)
[6]航天用超轻镁锂合金研究进展[J]. 冯凯,李丹明,何成旦,陈学康. 特种铸造及有色合金. 2017(02)
[7]稀土镁合金强韧性设计与开发[J]. 曾小勤,史枭颖. 航空材料学报. 2017(01)
[8]高强镁合金组织细化方法研究现状[J]. 万迪庆,袁艳平,周新建. 材料导报. 2015(09)
[9]固溶时效处理对轧制态Mg-12Li-2Al-1Zn合金组织与性能的影响[J]. 贾玉鑫,黄金亮,冯剑. 金属热处理. 2014(01)
[10]合金元素对镁合金性能影响[J]. 危少景,魏亮新. 科技视界. 2013(26)
博士论文
[1]镁锂稀土合金的制备及性能研究[D]. 王涛.哈尔滨工程大学 2008
[2]自生准晶增强Mg-Zn-Gd基合金组织和力学行为的研究[D]. 刘勇.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]准晶增强Mg-Zn-Y-Zr合金组织与力学性能的研究[D]. 卜志强.中北大学 2018
[2]稀土Y、Gd对镁锂合金组织及性能的影响[D]. 杜鹏.东北大学 2014
[3]Mg-9.3Li-1.79Al-1.61Zn合金超塑性研究[D]. 夏飞.东北大学 2014
[4]Mg-Y-Nd-xGd稀土镁合金的组织与性能[D]. 兴成尧.哈尔滨工业大学 2007
[5]镁合金的热力学性质计算研究[D]. 周鸿翼.重庆大学 2006
[6]Mg-Zn-Y合金中的准晶相及准晶增强镁合金[D]. 万迪庆.西北工业大学 2006
本文编号：3303358
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